直埋LNG管道周圍土壤凍融相變數(shù)值研究

張 威，吳 明

（遼寧石油化工大學(xué)石油天然氣工程學(xué)院， 遼寧 撫順 113001）

直埋LNG管道周圍土壤凍融相變數(shù)值研究

張 威，吳 明

（遼寧石油化工大學(xué)石油天然氣工程學(xué)院， 遼寧 撫順 113001）

采用有限容積法建立多孔介質(zhì)相變自然對(duì)流換熱模型，以直埋LNG管道為例，采用SIMPLER算法進(jìn)行求解，數(shù)值計(jì)算了地表溫度周期性波動(dòng)條件下，埋地輸冷管道非穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程，得到了不同季節(jié)管道周圍土壤溫度場(chǎng)及冰水相變界面分布規(guī)律。 研究表明：在地表溫度的周期波動(dòng)下，LNG管道周圍土壤溫度場(chǎng)波動(dòng)減小，且隨著LNG冷量的不斷釋放，管道周圍出現(xiàn)較大范圍的凍土圈。

LNG管道； 周期性邊界條件； 多孔介質(zhì)； 溫度場(chǎng)

目前，國(guó)外實(shí)現(xiàn)LNG管道輸送的實(shí)例較少：據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)介紹，日本在LNG管道輸送方面有一定經(jīng)驗(yàn)，并成功實(shí)施了1.5 km的管道敷設(shè)，且輸送技術(shù)尚未公開(kāi)；加拿大在此方面進(jìn)行了大量研究[1]，成果表明當(dāng)LNG輸量越大，距離越長(zhǎng)，地溫越低時(shí)，液化輸送的經(jīng)濟(jì)效果較好。而我國(guó)還處于起步階段，而在建設(shè)的國(guó)內(nèi)幾家大型 LNG接收站中尚未出現(xiàn)LNG管道直輸?shù)那闆r。為了能夠消除其在輸送過(guò)程中因低溫介質(zhì)引起的管道周圍土壤溫度場(chǎng)的改變而帶來(lái)的安全隱患,數(shù)值模擬了 LNG管道在非穩(wěn)態(tài)輸送過(guò)程中對(duì)周圍環(huán)境的影響。并將計(jì)算模型設(shè)置為飽和含水土體，最大限度檢測(cè)LNG冷量所產(chǎn)生的凍脹危害,最終得出直埋方式效果并非理想并建議采用管溝敷設(shè)輸送LNG。

1 數(shù)學(xué)模型

土壤作為多孔介質(zhì)流動(dòng)及相變過(guò)程非常復(fù)雜，有限容積法是處理多孔介質(zhì)模型常用的理論方法[2-3]。假設(shè)土體各項(xiàng)均質(zhì)連續(xù)，初始時(shí)刻孔隙中水分均勻分布，水分遷移符合達(dá)西定律。采用焓-多孔度法建立相變過(guò)程的控制方程，該方法的基本思想是以焓和溫度共同作為因變量，無(wú)須分區(qū)建立控制方程[4]。

計(jì)算策略是將流體在網(wǎng)格單元內(nèi)占有的體積百分比定義為多孔度，并將流體和固體并存的過(guò)渡區(qū)域看成動(dòng)態(tài)的多孔介質(zhì)進(jìn)行處理，在流體融化過(guò)程中多孔度從0變?yōu)?。

質(zhì)量守恒方程：

式中：U— 流體速度，m/s；

ρf— 流體密度，kg/m3；

t— 時(shí)間，s。

動(dòng)量守恒方程：

ε— 孔隙比1；

p— 孔隙壓力，Pa；

Dp— 粒子平均直徑，mm；

μ— 流體動(dòng)力粘度，Pa·s。

能量守恒方程：

式中：Ef— 流體總能，J；

Es— 固體介質(zhì)總能，J；

γ— 介質(zhì)孔隙度，1；

keff— 介質(zhì)有效導(dǎo)熱率，W/(m·K)；

其中：keff=γkf+(1?γ)ks，

kf—流體熱導(dǎo)率，W/(m·K)；

ks—固體導(dǎo)熱率，W/(m·K)。

邊界條件：

Nhw管道內(nèi)壁的對(duì)流換熱系數(shù)；v為風(fēng)速，Tk為1年內(nèi)地表環(huán)境溫度K。

2 數(shù)值模擬及結(jié)果分析

某LNG管道全長(zhǎng)6 km，出站溫度126 K，出站壓力4 MPa，保冷層厚度136 mm，管道直徑159 mm；在穩(wěn)態(tài)輸送條件下，其進(jìn)站溫度130 K，進(jìn)站壓力3.507 MPa。

為了充分了解 LNG管道在非穩(wěn)態(tài)時(shí)的傳熱情況，特做了如下模擬計(jì)算：將管道周圍的土壤視為飽和含水土體，忽略管道軸向溫降，建二維計(jì)算模型，初始地溫282 K，管道埋深1.5 m，環(huán)境溫度采用周期性邊界條件。

圖1 環(huán)境溫度周期性變化曲線Fig.1 Curve of periodic variation of environment-temperature

圖1給出了地表平均溫度隨環(huán)境溫度周期波動(dòng)的變化關(guān)系，圖2為L(zhǎng)NG管道自第1年4月末開(kāi)始運(yùn)行，最熱月管道周圍土壤溫度場(chǎng)等值線圖。分析可知：由于最熱月大氣不斷向土壤傳熱，致使LNG管道上方土體溫度較高出現(xiàn)未凍土，見(jiàn)圖3。而LNG管道兩側(cè)及下方土體溫度較低，出現(xiàn)了大面積凍土區(qū)，這主要是由于LNG管道不斷向土壤散發(fā)冷量，使管道周圍土壤溫度低于冰點(diǎn)，孔隙中未凍水凝結(jié)成冰。此時(shí)受地表環(huán)境溫度波動(dòng)影響已很小，管道下方土壤溫度場(chǎng)維持在較穩(wěn)定的低溫狀態(tài)。

圖2 管道運(yùn)行4個(gè)月后土壤溫度場(chǎng)等值線圖Fig.2 Contour of soil temperature field after pipeline operation 4 months

圖3 管道運(yùn)行4個(gè)月后土壤凍融相變?cè)茍DFig.3 Distribution cloud of soil Freeze-thaw Phase after pipeline operation 4 months

圖4為最冷月管道周圍土壤溫度場(chǎng)等值線圖。圖5為對(duì)應(yīng)的管道周圍土壤凍融相變?cè)茍D。分析可知：隨著地表溫度的不斷降低，管道上方土壤溫度場(chǎng)波動(dòng)劇烈，這是由于管道上方土體受地表溫度影響較大。結(jié)合圖2可知：管道下方土壤溫度場(chǎng)已趨于逐漸穩(wěn)定狀態(tài)，隨著環(huán)境溫度周期波動(dòng)的影響已很小，且管道周圍土壤凍結(jié)范圍也趨于平穩(wěn)。

圖4 管道運(yùn)行11個(gè)月后土壤溫度場(chǎng)等值線圖Fig.4 Contour of soil temperature field after pipelineoperation 11 months

3 結(jié) 論

通過(guò)對(duì) LNG管道非穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)熱過(guò)程的數(shù)值模擬可得出以下結(jié)論：

（1）通過(guò)模擬計(jì)算得到了不同季節(jié)管道周圍土壤溫度場(chǎng)及冰水相變界面分布接近于正弦規(guī)律；

（2）在地表溫度的周期性波動(dòng)下，管道下方土體溫度場(chǎng)很快達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，地表溫度周期波動(dòng)對(duì)管道周圍土壤溫度場(chǎng)影響較?。?/p>

圖5 管道運(yùn)行11個(gè)月后土壤凍融相變?cè)茍DFig.5 Distribution cloud of soil Freeze-thaw Phase after pipeline operation 11 months

（3）雖然采用保溫措施，但由于管道向周圍土壤傳遞冷量極大，嚴(yán)重?cái)U(kuò)大了凍土范圍，導(dǎo)致突然周圍環(huán)境溫度變化巨大。

[1] 楊筱蘅，張國(guó)忠.輸油管道設(shè)計(jì)與管理[M].東營(yíng):石油大學(xué)出版,2004：77-78.

[2] 盧濤，姜培學(xué).多孔介質(zhì)融化相變自然對(duì)流數(shù)值模擬[J].工程熱物理學(xué)報(bào)，2005，26：167-176.

[3] 盧濤，佟德斌.飽和含水土壤埋地原油管道冬季停輸溫降[J].北京化工大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，33（4）：37-40.

[4] 歐陽(yáng)梅.針翅管式相變換熱性能的數(shù)值模擬[D].重慶大學(xué),2009.

[5] 楊筱蘅.輸油管道設(shè)計(jì)與管理[M].東營(yíng):中國(guó)石油大學(xué)出版,2006.

[6] 龐麗萍，王浚.熱介質(zhì)直埋管道周圍溫度場(chǎng)仿真研究［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2004，16(3)：485-491.

[7] 顧安忠,魯雪生.液化天然氣技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003:18-20.

Numerical Research on Freeze-thaw Phase of Soil around the Buried LNG Pipeline

ZHANG Wei，WU Ming
(College of Petroleum Engineering, Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China）

Finite volume method was used to build the porous media natural convection heat transfer model. Taking the buried LNG pipeline as an example, unsteady-state heat transfer process of the buried cold pipe was calculated under surface temperature cyclical fluctuation conditions by SIMPLER algorithm. The distribution law of the temperature field of the soil around pipeline in different seasons and ice water phase change interface was gained. The research shows that temperature field fluctuation of the soil around LNG pipeline decreases under the surface temperature cycle fluctuations, and a larger range of frozen soil around pipeline arises with continuous releasing of LNG cold energy.

LNG pipeline; Periodic boundary condition; Porous media; Temperature field

TE 866

A

1671-0460（2011）02-0161-02

2010-09-20

張威（1985-），女，在讀碩士研究生，遼寧撫順人，主要從事X80鋼及其焊縫在我國(guó)典型土壤環(huán)境中的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂行為與機(jī)理研究。E-mail：zhangv85@163.com。